Dans la vague générale « touche à tout » de l’intelligence artificelle et des objets connectés, les jumeaux numériques ou Digital Twins caractérisent la désignation de répliques virtuelles d’objets physiques que les scientifiques et les informaticiens peuvent manipuler pour exécuter des simulations avant que les objets réels ne soient réellement construits et déployés.Il s’agit en quelque sorte d’un clonage virtuel qui modifie la manière dont des technologies sont optimisées. La duplication numérique des objets et de leur environnement offre ainsi une visibilité des opérations sur le terrain et un outil de simulation et d’identification de nouvelles opportunités reposant sur l’utilisation des produits.

Origines du concept

À l’instar des grands tournants de l’histoire de l’humanité, tels que la naissance de l’agriculture et la révolution industrielle, les jumeaux numériques constituent l’aboutissement d’un processus de changement dans le secteur manufacturier. Ils sont classés comme quatrième étape d’un processus d’évolution des processus de fabrication des objets. La première étape est celle où le processus de fabrication n’existe que sous forme de version physique, la deuxième où une version numérique ajoute à la version physique des informations supplémentaires, la troisième où une interaction commence entre les versions physique et numérique et la quatrième où une interaction et une convergence supplémentaires sont introduites entre les versions physique et numérique.

Source : https://xhtnh2f75kp4la0u3slg1e1d-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2018/04/first-stage-1.png

Le concept de « jumeau numérique » a été rendu public à l’Université du Michigan, lors d’une présentation face à des industriels sur la création d’un centre dédié à la gestion du cycle de vie des produits. Il est né de l’idée qu’il est possible de créer une expression numérique des informations d’un système physique[1].

La technologie des jumeaux numériques est fondée sur les technologies de l’Internet des objets, de l’intelligence artificielle et de l’analyse de données. Au fur et à mesure que les objets sont modélisés numériquement à la base, donc systématiquement liées à des processus de production des données, un équivalent numérique pour chaque objet permet aux scientifiques la possibilité d’optimiser sa fabrication réelle avec une efficacité optimale et de créer d’autres scénarios hypothétiques de son déploiement.

L’idée est née grâce aux maquettes grandeur nature d’anciennes capsules spatiales que la NSA a d’abord utilisées sur terrain pour diagnostiquer des problèmes en orbite, mais qu’elle a dû finalement faire remplacer par des simulations entièrement numériques. Il a fallu que le concept soit mis en avant par la société Gartner, parmi les dix principales tendances technologiques stratégiques de 2017, pour qu’il s’élargisse pour inclure de gros éléments tels que des bâtiments, des usines et même des villes. Les recherches menées par Gartner ont révélé que 48% des entreprises utilisant l’Internet utilisent ou prévoient d’utiliser des jumeaux numériques en 2018. De plus, 50% des grands fabricants auront au moins une initiative de jumelage numérique lancée d’ici 2020 et le nombre d’organisations utilisant le numérique. Les jumeaux vont tripler d’ici 2022. En d’autres termes, les jumeaux numériques sont là pour rester[2].

Au fait, un jumeau numérique est un programme informatique qui prend en entrée des données réelles sur un objet ou un système physique et produit en sortie des prédications ou des simulations de la façon dont cet objet ou système sera affecté par ces entrées. « C’est la version virtuelle programmée sur ordinateur, de quelque chose qui existe dans le monde réel »[3].

Comment ça marche ?

Un jumeau numérique est conçu par des spécialistes, souvent des experts en informatique ou en mathématiques appliquées, qui étudient la base de l’objet ou du système physique imité. Ils utilisent les données recueillies par des capteurs pour développer un modèle mathématique (dans l’espace numérique) simulant le modèle original du monde réel. Cela permet au jumeau de simuler l’objet physique en temps réel, offrant ainsi un aperçu des performances et des problèmes potentiels. Le jumeau pourrait également être conçu sur la base d’un prototype de son homologue physique, auquel cas le jumeau pourrait fournir un retour d’information à mesure que le produit se raffine ; un jumeau pourrait même servir de prototype avant la construction de toute version physique[4].

Afin de maximiser leur utilité, les technologies des jumeaux numériques doivent intégrer des capteurs sophistiqués, une intelligence artificielle et un apprentissage automatique (deep learning). Ils doivent être alimentés par des bases de données hautement performantes, capables de rassembler et de traiter de nombreux ensembles de données en temps réel (Big data & data analytics).

https://lemag.bureauveritas.fr/top-article-1/jumeaux-numeriques-revolutionner-usines/

Domaines d’application

Les jumeaux numériques étaient traditionnellement utilisés pour améliorer les performances d’artefacts isolés, tels que les éoliennes ou les moteurs à réaction. Ces dernières années, cependant, les jumeaux numériques sont devenus plus sophistiqués. Désormais, ils connectent non pas un artefact, mais plutôt des systèmes entiers d’artefacts, voire des organisations entières. Alors que les jumeaux numériques rassemblent de plus en plus d’objets connectés et les combinent avec des informations sur les processus de leur mise en relation, leur capacité à contribuer à la résolution de problèmes complexes augmente considérablement dans plusieurs domaines d’application. « Ce concept a donc plusieurs applications industrielles, par exemple dans l’aéronautique, l’aérospatiale ou encore dans le secteur de la santé, avec les appareils médicaux et les implants » (Michael Grieves, op. cit.).

Les jumeaux numériques dans le domaine de la santé

L’un des domaines sensibles où les jumeaux numériques offrent d’énormes possibilités est celui de l’humain. Ils peuvent en effet améliorer des vies dans les domaines de la santé, des sports et de la formation/éducation. De ce fait, « le jumeau numérique, la modélisation numérique d’un processus physique, n’est pas réservée à des systèmes mécaniques : la modélisation des corps sert aussi les humains. Elle permet de les seconder et dans le cas de la biomécanique de les soigner ».

La représentation d’une personne individuelle, y compris des données personnelles telles que le poids, les données de santé, les données de suivi d’activité et les données de traitement médical peut aider à établir des alertes prédictives et à guider les personnes vers des modes de vie plus sains. Cela donnera une meilleure idée et une meilleure transparence sur la situation de la santé des individus en offrant plus de points de données. Les données partagées avec les médecins aideront à définir de meilleures stratégies préventives et des plans de récupération et à réduire les coûts des soins de santé.

Les athlètes peuvent tirer parti des jumeaux numériques en concevant des programmes d’entraînement adaptés à leurs besoins spécifiques en fonction de leur forme physique. En outre, la technologie peut avoir un impact considérable sur les performances individuelles associées à l’Internet des objets, telles que les raquettes de tennis intelligentes et autres équipements sportifs.

Les soins de santé sont aussi un bon exemple d’utilisation des jumeaux numériques au niveau organisationnel. En créant un jumeau numérique d’un hôpital, les administrateurs d’hôpitaux, les médecins et les infirmiers peuvent obtenir des informations puissantes en temps réel sur la santé des patients et les flux de travail. En utilisant des capteurs pour surveiller les patients et coordonner les équipements et le personnel, les jumeaux numériques offrent un meilleur moyen d’analyser les processus et d’alerter les bonnes personnes au bon moment lorsqu’une action immédiate est nécessaire. En conséquence, les temps d’attente dans les salles d’urgence peuvent être réduits et le flux des patients peut être amélioré, ce qui diminue les coûts opérationnels et améliore l’expérience du patient. Ils permettent entre autres de supprimer les goulots d’étranglement dans le flux de patients, prédire et prévenir les urgences pour les patients, telles que les arrêts cardiopulmonaires ou respiratoires, etc.

Jumeaux numériques dans l’immobilier commercial

Un autre endroit où les jumeaux numériques peuvent avoir un impact important au niveau organisationnel est celui de l’immobilier commercial. Les jumeaux numériques permettent aux exploitants de bâtiments de réunir des systèmes auparavant non connectés pour obtenir de nouvelles informations, optimiser les flux de travail et surveiller les processus à distance. Les jumeaux numériques peuvent également être utilisés pour donner aux occupants davantage de contrôle sur leurs propres espaces de travail et conditions environnementales, améliorant ainsi l’expérience du locataire.

En optimisant les systèmes et en connectant les personnes, les propriétaires d’immeubles et les opérateurs peuvent utiliser les jumeaux numériques pour réduire, voire éviter, les coûts futurs, augmenter les taux d’occupation et améliorer la valeur globale des bâtiments.

Impacts et perspectives

« Le jumeau numérique est un intéressant moteur de l’innovation » titre Le Monde en ligne un entretien avec Michael Grieves qui en 2002, a évoqué pour la première fois en public le concept de « Digital Twin » ou « jumeau numérique ». (op cit).

L’implémentation de jumeaux numériques dans des hôpitaux ou les immeubles commerciaux, par exemple, offre le potentiel de générer des résultats bénéfiques non seulement pour les administrateurs ou les propriétaires fonciers, mais également pour les personnes à l’intérieur de ces immeubles. De cette façon, les jumeaux numériques peuvent être utilisés pour adopter une approche centrée sur les personnes avant d’examiner les problèmes du contexte et d’ajouter des systèmes informatiques et des périphériques connectés afin de résoudre de gros problèmes et de créer de la valeur à long terme.

En résumé, pour les entreprises et les organisations qui utilisent déjà l’Internet des objets, les jumeaux numériques peuvent être utilisés pour améliorer l’efficacité, optimiser les processus, détecter les problèmes avant qu’ils ne surviennent. Si une organisation souhaite non seulement obtenir de meilleurs résultats commerciaux, mais également de meilleurs résultats pour tous, les jumeaux numériques méritent d’être explorés.

_____________________________________